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Balance de materia y energía

EIP1124

Alejandra Sánchez B.

2012

Secuencia de actividades que se

lleva a cabo para obtener un

resultado determinado a través de

la transformación de materias

primas, insumos y del uso de los

recursos disponibles

PROCESO

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Balances de Materia y Energía en los

Procesos MACROPROCESO

PROCESO

MICROPROCESO

Ingeniería de procesos: Conversión de

materias primas en productos.

Ingeniería de Procesos

Pinturas

Plásticos Celulosa

Química

Fina

Petroquímica

Biotecnología Minería Industria

pesquera

Alimentos

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PROCESO QUIMICO

Sistema formado por

equipos, interconectados

en forma organizada, que

permiten cambios físicos

y químicos dando lugar a

un producto de interés.

PROCESOS QUIMICOS

•Industrias extractivas

El sector de las industrias extractivas (gas, petróleo,

gas y minería) representa una parte importante de las

exportaciones y una fuente de ingresos para el país.

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PROCESOS QUIMICOS

•Industrias química y petroquímica.

PROCESOS QUIMICOS

•Industria textil

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PROCESOS QUIMICOS

•Industria alimenticia

PROCESOS QUIMICOS

•Industria manufacturera con armado en línea

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PROCESO QUIMICO

PROCESO INSUMOS

Conocimiento

Ingeniería

Trabajo

Energía

Capital

MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS PROCESO

SISTEMA GLOBAL DE UN PROCESO QUÍMICO

PLANTA

DE PROCESOS

QUIMICOS

RED DE

INTERCAMBIADORES

DE CALOR

PLANTAS DE SERVICIOS

Calderas, Turbinas

Aire comprimido

Oxigeno, vacío

Materias

Primas

Insumos

Productos

Electricidad Suministros

y Servicios

Agua

Combustibles

Aire

Corrientes

frías

Corrientes

calientes

Servicio de

calentamiento

Servicio de

enfriamiento

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TIPOS DE PROCESOS:

- CONTINUO / DISCONTINUO (Batch)

- ESTACIONARIO / DINÁMICO

PROCESOS CONTINUO

PROCESOS DISCONTINUO

HEAT SEPARATOR REACTOR

Fedd

Catalyst Product

Heat

HEAT

REACTOR

SEPARATOR

(1) Fedd

(2) Catalyst

Heat

Sti

ll

Product

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PRODUCCION DISCONTINUA O PROCESO BATCH

ETAPAS DE UN PROCESO QUÍMICO

MATERIAS

PRIMAS

REACCIONES

QUIMICAS PRODUCTOS

Operaciones

físicas de

acondicionamiento

Operaciones

físicas de

separación

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ESTRUCTURA GENERAL DE

UN PROCESO PRODUCTIVO

PREPARACION

PURIFICACION

SEPARACION

PURIFICACION REACCION

M P Insumos Insumos

PRODUCTO

Subproductos

Subproductos

TRATAMIENTO

EFLUENTES EFLUENTE

LIMPIO

PRODUCTOS

SECUNDARIOS

ESTRUCTURA DE ENTRADA Y DE SALIDA DEL

DIAGRAMA DE FLUJOS

Alimentación

Producto PROCESO

PRODUCTIVO

Reciclo Purga

Subproductos

Insumos

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DIAGRAMA GENERAL ENTRADA- SALIDA

PROCESO HIDROMETALÚRGICO DEL

COBRE

ripios

PROCESO

mineral

ácido sulfúrico

agua

Industrial

soluciones

subproductos

descartes

cátodos de

Cu

insumos energía

Esquemas de Procesos Industriales: Flow-Sheets

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Tipos de Representaciones:

• Diagrama de bloques ( BFD )

• Diagrama de Flujo de Procesos ( PFD )

• Diagrama de Cañerías e Instrumentación ( P&ID )

• Diagrama Isométricos ( cañerías y equipos )

• Cursograma analítico (Ing Civil Industrial)

Secuencia diseño de un proceso

Diagrama de Bloques

(BFD)

Diagrama de flujos

de procesos (PFD)

Diagrama de cañerías

e instrumentación

(P&ID)

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Diagrama de bloques

Es un esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas

Diagrama de flujos (flowsheet)

Es una representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales: i) la secuencia en que ocurren las operaciones unitarias. ii) los equipos utilizados para realizar cada operación. iii) los distintos flujos de materia y energía

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Diagrama de bloques

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Convenciones para los Diagramas de Bloques

• Cada operación se representa por un bloque

• Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo

• Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama

• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior separados por densidad.

• Se incluye la información crítica para entender e proceso

• Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan

• Se incluye un balance de masas y energía simplificado en forma de una tabla.

BFD: Block Flow Diagram

Hydrogen

( 820 Kg / H )

Toluene

( 10000 Kg / H ) Benzene

( 8610 Kg / H )

Still

Mixes gas

( 8610 Kg / H )

Toluene

Gas

Separator Reactor

Mixes Liquids

Conversion

75% Toluene

Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4

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Convenciones para los Diagramas de

Flujos de Procesos

• Se representan TODOS los equipos junto con su descripción. Cada

equipo tiene un número y un nombre

• Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una

descripción de las condiciones (temperatura, presión),flujos y

composición química ya sea en el diagrama o en un a TABLA

adjunta.

• Se deben representar TODAS las corrientes de servicios( vapor, aire,

calefacción, etc.) que se alimentan a cada producto de alimentación.

• Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la

estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación

normal.

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Las corrientes de un proceso

• Son los flujos de materia que ingresan (alimentación) o

salen (producto) de una operación unitaria (o equipo)

• Suelen estar formadas por varias sustancias o

compuestos químicos

• Pueden estar formadas por más de una fase (por

ejemplo sólido en suspensión en un líquido)

• Una corriente se caracteriza por su composición, su

presión y su temperatura

Composición de una corriente

• Se puede describir de distintas maneras:

• Fracción másica o fracción molar:

– Fracción másica de A = Masa de A/Masa total

– Fracción molar de A = Moles de A/Moles totales

– Las fracciones siempre suman 1

– Fracción másica Fracción molar

– ppm (parte por millon) = fracción x 106

• Razón de composición:

– Razón másica = Masa de A/Masa de B

– Razón molar = Moles de A/Moles de B

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Proceso y operación unitaria

• Proceso: conjunto o secuencia de operaciones

unitarias que modifican una materia prima para

transformarla en un producto comercial o insumo.

• Operación unitaria: etapa de un proceso, donde

se realiza una modificación específica de una

corriente.

Las operaciones unitarias más comunes se producen en

Reactores, intercambiadores de Calor, bombas,

mezcladores y separadores, y en cada proceso / operación

unitaria se cambian las condiciones de una determinada

cantidad de materia de una o más de las siguientes

formas:

· Modificando su masa o composición

· Modificando el nivel o calidad de la energía que posee

· Modificando sus condiciones de movimiento

Tipos de Operaciones Unitarias

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Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un

gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del

mecanismo principal de transferencia:

Tipos de operaciones unitarias

1.- Reacción química

2.- Separación o purificación

3.- Cambio de temperatura

4.- Cambio de presión

5.- Cambio de fase

6.- Operaciones mecánicas

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– Filtración

– Evaporación

– Tamizado

– Molienda

– Sedimentación

Operaciones de separaciones mecánicas

Operaciones transferencia de masa

– Absorción en columnas

– Reactores químicos: Continuamente agitados, Tubulares ,por

lotes, serie de tanques agitados y catalíticos

– Destilación en columnas

– Extracción sólido-líquido

– Extracción líquido-líquido

– Enfriamiento en torres

– Secado de bandejas

– Generación de vapor

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Reactores químicos

Reactor continuamente agitado Reactor tubular

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Es una separación de una suspensión por la acción de la gravedad con la

obtención de un fluido transparente y una suspensión con mayor proporción de

sólidos.

Partículas: Pueden ser sólidas o gotas de líquidos.

Fluido: Puede ser un líquido o un gas y puede estar en reposo o en movimiento.

Aplicaciones:

• Eliminación de sólidos de aguas residuales.

• Sedimentación de cristales de un licor madre.

• Sedimentación de partículas alimenticias.

Sedimentación

Sedimentación

LODOS

ALIMENTACION

LIQUIDO

CLARIFICADO

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Molienda

Tamizado

Filtrado

Filtración es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido

haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante sobre el que

se depositan los sólidos.

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Filtrado

• Conceptos relevantes:

– Microfiltración continua

– Análisis del flujo y transmisión de un

marcador proteico

– Obstrucción del filtro. Resistencia de

membrana limpia y sucia

– Caída de presión en la membrana

– Balance de masa

– Presión en membrana vs flujo y transmisión

de proteínas

– Efectos de la velocidad axial Filtros prensa de

placas

para lodos

La destilación es un proceso en el

que una corriente líquida se calienta

hasta que se desarrolla una segunda

fase de vapor. Ambas fases se ponen

en contacto de forma que el vapor

ascendente se enriquece en el

compuesto más volátil mientras que

el líquido se empobrece.

Destilación

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Columna de destilación

• Operación continua

o por lotes

• Con o sin reflujo

(equipo Armfield UOP3)

Benceno + acetona

Agua

Benceno (+ acetona)

Agua + acetona

Extracción

Reposo

Mezcla

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Proceso químico fundamental, en el que se

extrae uno o más componentes de una

mezcla de líquidos

(equipo Armfield UOP5)

Extracción Líquido - Líquido

– Hidrodinámica de sistemas

líquido/líquido

– Proceso continuo y semi-continuo

– Eficiencia de extracción

– Fase continua acuosa u orgánica

– Evaluación de mezclas

– Balance de masa

Extracción Líquido - Líquido

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Ejemplos:

- Extracción de aceite de

semillas oleaginosas

- Extracción de azúcar de

remolacha

Esta operación es similar a la

anterior. Pero esta vez el

disolvente líquido se utiliza para

extraer los solutos de una matriz

sólida.

Extracción Sólido – Líquido (Lixiviación)

– Operación continua multietapa

– Operación por lotes en circuito cerrado por percolación

– Operación en lazo abierto por percolación

– Proceso en una, dos y tres etapas

– Efectos de la temperatura del solvente

– Efectos del caudal del solvente

– Efectos del tiempo de procesamiento

– Optimización económica del proceso

– Balance de masa

Extracción Sólido – Líquido

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Torre de enfriamiento

• El empaquetamiento de la columna divide el agua en pequeñas gotas o delgados films, aumentando la superficie de contacto con el aire

• El enfriamiento se debe fundamentalmente a la evaporación

• El caudal de evaporación es normalmente un 5% del caudal del sistema

(equipo Armfield UOP6)

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• En esta operación un vapor soluble mezclado con un gas inerte se

contacta con un líquido en el que el vapor es más soluble. De esta

manera se separa el compuesto de interés.

• A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo éste en contacto

con un gas inerte. Este operación, que es inversa a la absorción se

llama desorción de gases o stripping.

Absorción de gases

Absorción de gases en columnas rellenas

– Principios que gobiernan la absorción de gases en columnas rellenas

– Análisis cuantitativo de gases y líquidos

– Balance y coeficiente de transferencia de masa

– Características hidrodinámicas de una columna rellena

– Punto de carga e inundación

(equipo Armfield UOP7)

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• Ejemplo:

Descontaminación de

aire como el lavado de

amoníaco de una mezcla

amoníaco-aire

El secado consiste en separar agua u otro líquido (remoción de solventes orgánicos de sólidos) de un material frecuentemente sólido aunque a veces también líquido El material se seca generalmente de 2 formas distintas: - por conducción a través de una superficie metálica calentada

o - exponiéndolo directamente a un gas caliente (generalmente

aire).

Secado

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Secado

Para: Lodos de Plantas de Tratamiento

(Capacidad de 200 kg/hr de lodos

húmedos con polímero y humedad inicial

de 80% ).

El secado se produce por la circulación de aire caliente

sobre bandejas que contienen material húmedo

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Evaporación

– Balance de masa y energía

– Comparación económica de los

distintos tipos de evaporador

– Alimentación directa, inversa y en

paralelo

– Evaporación vs temperatura y

presión

– Efecto de la velocidad de

circulación sobre el coeficiente de

transferencia de calor

– Estrategias de control de procesos

Evaporación

Vapor de disolvente

Disolución concentrada

CALOR

Vapor

de agua

Condensado

Disolución

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Evaporación

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Herramientas matemáticas

• Resolución de ecuaciones por procedimientos de tanteo

• Resolución de ecuaciones simultáneas

• Integración gráfica

• Diferenciación gráfica

Estequiometría y relaciones de composición

- Conservación de masa

- Relaciones de masa y volúmenes en las reacciones químicas

- Relaciones entre masa y volumen para sustancias gaseosas

- Empleo de unidades molares en los cálculos

- Exceso de reactivos

- Grado de conversión

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FIN